此示例显示了设置和
模拟出瞳扩展器 (EPE) 的工作流程,EPE 是波导型增强现实 (AR) 设备的重要组成部分。该工作流程将利用
Lumerical 和 Zemax OpticStudio 之间的动态链接功能 。为了使用动态链接,在Lumerical中构建了二维六边形圆柱体和一维倾斜
光栅的
参数化模型。另一方面,整个
成像系统内置于Zemax OpticStudio中。在
光线追踪过程中,当光线照射到光栅上时,Zemax OpticStudio 会自动调用 Lumerical 来计算精确的电场响应,从而可以对系统进行准确评估。
|"mb59X {\V)bizY; \||PW58j 概述
,Xn%-OT j<!$ug9VA gFKQm(0g2 EPE是基于波导的AR系统(如Microsoft Hololens)中最流行的技术之一。它包括一块薄玻璃板(波导),上面有几个光栅。光栅的周期、区域形状和周期方向通常在 k 空间中规划。K 空间是一个二维空间,该空间中的任何单个点始终表示射线传播方向。当衍射光栅改变光线的传播方向时,它在该 k 空间中的位置会被矢量移动,其中矢量的长度与周期有关。K-space是一个非常有用的概念,用于规划EPE系统的光传播和光栅周期。
gQ?k}D {?C7BClB 上述文章中的系统适用于具有三个 1D 光栅的 EPE。此示例的主要区别在于,我们将使用 1D 光栅进行内耦合,并使用 2D 光栅进行外耦合。二维光栅具有六边形周期结构,
光束在k空间中传播,如下图所示。如下图所示,为了让光束在二维波导中移动以扩大出瞳,我们设计了光栅,让光束传播方向在k空间中像六边形一样移动。这允许光束传播并分布到波导中的大区域,如下图右图所示。
-X=f+4j ~DJ/sY2/ p])km%zB( 第 1 步:构建参数化光栅模型
L$b9|j7 光栅模型首先在 Lumerical 中构建并保存在 .fsp 文件中。我们将需要两个光栅模型。一种是一维光栅,用于耦合来自
光源的光。一种是用于耦合光线的 1D 光栅。
^I0SfZ'Y S2*:]pYf} 第 2 步:构建 AR 波导并检查瞳孔处的功率分布
rdK.*oT 接下来,在Zemax OpticStudio中构建出瞳扩展系统。这包括一个波导、2个光栅、一个图像源和一个简单的眼睛系统来“看到”图像。
EU+sTe > -B_dE-l, 第 3 步:图像模拟
u4S3NLG) 现在我们准备运行光线追踪来检查系统。我们将检查出瞳处的功率分布,以查找光源中的某个点。我们还将运行完整的图像模拟,并评估人眼通过系统看到的内容。
&8;mcM//4 qg>i8V 第 4 步:
优化 M6e"4Gh 我们可以选择一些参数来优化系统性能。在本演示中,我们将圆柱体高度作为变量,并将中心场的出瞳均匀性作为优化目标。
t Sg#2 &pCKz[Yf+ 运行和结果
w qsPGkJJ7 第 1 步:构建参数化光栅模型
B82A:t) 1.在Lumerical FDTD中打开文件(文件名如下),并观察它们是如何定义的。
I[&!\Me[+w lswm_1D_slant.fsp
7DI8r| ~ lswm_2D_hex_cylinder.fsp
=Xp3UNXg s8tI_h 两个光栅文件中定义的几何形状如下。左图显示了 lswm_1D_slant.fsp 中的 1D 周期光栅,它将用作 AR 波导系统中的内耦合。第二张图显示了 lswm_2D_hex_cylinder.fsp 中的二维六边形,该六边形将用于外耦合。
7.5G4 iw#luHcJ Z?GC+hG` 请注意,这些光栅文件包括Lumerical和OpticStudio之间的动态工作流程所需的一些特殊设置。 例如,通过右键单击对象树中的顶部单元格,我们可以看到两个光栅文件中存在名称为“p#_*****”的用户属性。这些用户属性将由OpticStudio直接控制。同名的参数将显示在OpticStudio中。用户在OpticStudio中对这些参数的任何修改都将反映到Lumerical中的用户属性中,以更新光栅几何形状。此外,在优化过程中,我们也可以更改一些变量以获得最佳系统性能。
%(NRH? ZQyT$l~b ^=t yf&" 还可以看出,为 topcell 组定义了一些脚本。需要这些脚本才能将用户属性转换为实际几何图形。
GxvVh71zP tp1{)|pwY6 iBZ+gsSP 可以看出,这两个光栅文件都具有一些共同的用户属性,例如 period_x、period_y、n_neg n_pos。这些是必需的,以便光栅文件可以在OpticStudio和Lumerical之间的动态链路中使用。
2/;KZ+U& >Mn"k\j4 我们提供几种内置样品光栅,如下所示。但是,用户始终可以按照约定自定义自己的。
]-R8W/fDn p@!"x({@l C6Kz6_DQZ 第 2 步:构建 AR 波导并检查瞳孔处的功率分布
t >8t|t+ 1.在OpticStudio中打开epe2d_2dgrating.zar,观察它是如何定义的。
_gc2h@x1O 2.将参数“Link Lumerical (0=No 1=Yes)”设置为 1。
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